专利名称：电动牙刷的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动牙刷，尤其涉及一种用于在驱动轴的轴向上往复移动牙刷头并且用于围绕驱动轴的中心轴往复旋转牙刷头的致动器。
背景技术：
在传统的电动牙刷中，例如在日本专利申请9-173360中所公开，电动机的驱动轴的旋转被运动转换机构转换成往复线性运动或者往复旋转。安装在运动转换机构的驱动轴上的牙刷头在驱动轴的轴向上往复地移动，或者围绕驱动轴的中心轴往复地旋转。
但是，传统的电动牙刷使用运动转换机构中的凸轮，以将电动机的驱动轴的连续旋转转换成运动转换机构的驱动轴的往复线性运动或者往复旋转。因此，难以高速地移动运动转换机构的驱动轴，从而限制了去除齿菌斑效果的提高。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，并且提供一种电动牙刷，其能够高速移动驱动机构的驱动轴以及安装在驱动轴上的牙刷头，从而能够提高去除齿菌斑的效果。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方案的电动牙刷包括牙刷头和用于移动该牙刷头的致动器。该致动器还包括一驱动轴，该驱动轴上安装有该牙刷头；一第一磁路，用于在该驱动轴的轴向上往复移动该驱动轴；以及一第二磁路，用于围绕该驱动轴的中心轴往复旋转该驱动轴。该第一磁路和该第二磁路直接移动该驱动轴。
利用这种结构，通过第一磁路和第二磁路直接驱动该驱动轴，而不需介入例如凸轮和/或齿轮的机械元件。因此，用于将驱动力从第一磁路和第二磁路传递至驱动轴的效率能够提高，从而能够高速驱动该驱动轴。
另外，该驱动轴不仅在其轴向上被第一磁路驱动，而且围绕其中心轴被第二磁路驱动。因此，不同于传统的电动牙刷，该牙刷头的运动不仅仅限于往复线性运动和往复旋转的其中一种。该牙刷头能够以往复线性运动和往复旋转相组合的复合运动方式而移动。因此，通过该电动牙刷能够提高去除齿菌斑的效率。
图1是用于显示根据本发明实施例的电动牙刷结构的剖面侧视图；图2是用于显示根据本发明的电动牙刷的致动器的详细结构的立体图；图3是用于显示根据本发明的致动器的第一磁路的结构的立体图；图4是用于显示根据本发明的致动器的第二磁路的结构的立体图；图5是用于显示根据本发明在几种条件下以低音(bass)运动和旋转运动组合的方式驱动的牙刷头的轨迹的图表。
具体实施例方式
参考附图描述本发明的实施例。图1显示了电动牙刷的结构。图2显示了电动牙刷的致动器的详细结构。图3显示了在致动器中的第一磁路。图4显示了在致动器中的第二磁路。
如从图1中可见，电动牙刷包括牙刷头1和主体(把手部分)2。主体2还包括用于移动牙刷头1的致动器6、用于控制致动器6的控制器(未示出)、蓄电池(电池)3、用于产生驱动电流的逆变器(inverter)(未示出)、用于对蓄电池3充电的充电单元5，等等。
致动器6还包括驱动轴8、第一磁路6a、第二磁路6b、两个螺旋弹簧15和17。致动器6的本体被包含在管形套7中。驱动轴8的前端部分8a从套7中突出。牙刷头1安装至驱动轴8的突出的前端部分8a。
如从图2中可见，第一永磁单元9和第二永磁单元12以一预定距离设置在驱动轴8的主要部分8b上。
由第一永磁单元9、以预定间隙朝向第一永磁单元9设置的一对第一定子10、以及缠绕在第一定子10周围的一对第一线圈11形成第一磁路6a。
第一永磁单元9由两个圆柱状永磁铁9a形成。每一圆柱状永磁铁9a在其径向上被磁化。圆柱状永磁铁9a被以下述方式紧紧地固定在驱动轴8的主要部分8b的周围，该方式使得一个圆柱状永磁铁9a的磁极与另一个的磁极完全相反。
每一个第一定子10具有基本成E形的部件。第一定子10以下述方式相对于第一永磁单元9对称设置，该方式使得其中一个第一定子10的三个极分别朝向另一个的三个极，第一永磁单元9介于其间。每一个第一线圈11缠绕在每一个第一定子10的中心极的周围。通过将驱动电流提供至第一线圈11，使第一定子10励磁(excited)。在致动器6未启动的状态下，第一永磁单元9被以下述方式停止，该方式使得圆柱状永磁铁9a的磁力线朝向与彼此相对的第一定子10的极的突出平行的方向。当驱动电流被提供至第一线圈11时，使第一磁路6a励磁，用于借助驱动轴8在驱动轴8的轴向上移动第一永磁单元9。在下文中，在驱动轴8的轴向上的往复线性移动被称为“低音(bass)运动”。
由第二永磁单元12、以预定间隙朝向第二永磁单元12设置的一对第二定子13、以及缠绕在第二定子13周围的两对第二线圈14形成第二磁路6b。
第二永磁单元12由两个圆柱状永磁铁12a形成。每一个圆柱状永磁铁12a在其径向上被磁化。圆柱状永磁铁12a被以下述方式紧紧地固定在驱动轴8的主要部分8b的周围，该方式使得一个圆柱状永磁铁12a的磁极与另一个的磁极完全相反。此外，第二永磁单元12被以下述方式固定在驱动轴8上，该方式使得第二永磁单元12的磁化方向与第一永磁单元9的磁化方向基本上垂直。
每一个第二定子13具有基本上成槽铁形状的部件。第二定子13以下述方式相对于第二永磁单元12对称设置，该方式使得其中一个第二定子13的两个极分别朝向另一个的两个极，第二永磁单元12介于其间。一对第二线圈14分别缠绕在每一个第二定子13的各个极的周围。通过将驱动电流提供至第二线圈14，使第二定子13励磁。在致动器6未启动的状态下，第二永磁单元12被以下述方式停止，该方式使得圆柱状永磁铁12a的磁力线朝向与彼此相对的第二定子13的极的突出垂直的方向。当驱动电流被提供至第二线圈14时，使第二磁路6b励磁，用于借助驱动轴8围绕驱动轴8的中心轴旋转第二永磁单元12。在下文中，围绕驱动轴8的中心轴的往复旋转被称为“旋转运动”。
如图1和图2所示，螺旋弹簧15和17分别在主要部分8b的两端附近与驱动轴8的主要部分8b接合。一对轴承18设置在套7的内腔的两端，以使驱动轴8在枢轴上不仅可围绕其中心轴旋转，而且可在其轴向上线性移动。上螺旋弹簧17设置在上轴承18和第二永磁单元12之间，用于对第二永磁单元12施加向下的压力。下螺旋弹簧15设置在下轴承18和第一永磁单元9之间，用于对第一永磁单元9施加向上的压力。
下面描述电动牙刷的运动。作为驱动电流的交流电相应于来自控制器的控制信号而在致动器6的第一线圈11和第二线圈14中流动。使用者可相应于控制开关或者旋钮的操作调整交流电的频率和交流电之间的相位差。例如，设置四个控制开关或者旋钮，使得可以独立地调整分别在第一线圈11和第二线圈14中流动的两个交流电的频率和相位的四个参数。但是，可以通过选择性地调整控制开关或者旋钮，将交流电提供至第一线圈11和第二线圈14的其中之一。
相应于在第一线圈11中流过交流电的时序(timing)而使第一定子10励磁。相应于交流电的极性(+和-)的变化，在第一定子10中的励磁方向被改变。这样，第一永磁单元9在驱动轴8的轴向上与驱动轴8一起往复地并且线性地移动(低音运动)。同样地，相应于在第二线圈14中流过交流电的时序而使第二定子13励磁。这样，第二永磁单元12围绕驱动轴8的中心轴与驱动轴8一起往复地旋转(旋转运动)。因此，以第一永磁单元9的低音运动和第二永磁单元12的旋转运动的混合，而移动驱动轴8和安装在驱动轴8上的牙刷头1。
在第一线圈11和第二线圈14中流过交流电的时序未示出，但是它们能够通过控制器相应于交流电的频率和相位(或者相位差)的选择来控制。
图5显示了当在几种条件下以低音运动和旋转运动组合的方式驱动致动器6时牙刷头1的运动轨迹的图表，在这些条件中，在第一线圈11和第二线圈14中流动的的交流电的频率和交流电之间的相位差是不同的。在图5中，横坐标标明低音运动中驱动轴8的冲程(stroke)，并且纵坐标标明旋转运动中驱动轴8的旋转角度。低音运动中交流电的频率将为恒定值250Hz。
关于由符号(d)、(e)和(f)标明的方框中显示的轨迹通过致动器6使牙刷头1在低音运动和旋转运动中移动，其中在第一线圈11和第二线圈14中流动的交流电具有相同的频率。在这种情况下，在交流电的一个周期中，牙刷头1在低音运动和旋转运动中确定地往返(shuttle)。这样，在每一周期中，通过牙刷头1不仅能够刷到牙颈，而且能够刷到牙颈之间的齿间(interdentium)，从而确实能够从牙颈和齿间中除去齿菌斑。
关于由符号(j)、(k)和(l)标明的方框中显示的轨迹通过致动器6使牙刷头1在低音运动和旋转运动中移动，其中在第二线圈14中流动的用于旋转运动的交流电的频率分别是在第一线圈11中流动的用于低音运动的交流电的频率的整倍数，例如两倍。在这种情况下，当牙刷头1在低音运动中往返一次时，牙刷头1以整倍数的次数在旋转运动中往返，例如，在这些例子中为两次。这样，能够更有效地从齿间除去齿菌斑。
关于由符号(a)、(b)和(c)标明的方框中显示的轨迹通过致动器6使牙刷头1在低音运动和旋转运动中移动，其中在第一线圈11中流动的用于低音运动的交流电的频率分别是在第二线圈14中流动的用于旋转运动的交流电的频率的整倍数，例如两倍。在这种情况下，当牙刷头1在旋转运动中往返一次时，牙刷头1以整倍数的次数在低音运动中往返，例如，在这些例子中为两次。这样，能够更有效地从齿颈除去齿菌斑。
关于由符号(g)、(h)和(i)标明的方框中显示的轨迹通过致动器6使牙刷头1在低音运动和旋转运动中移动，其中在第二线圈14中流动的用于旋转运动的交流电的频率分别是在第一线圈11中流动的用于低音运动的交流电的频率的非整倍数，例如1.5倍。在这种情况下，牙刷头1的运动是随意的，从而能够不知不觉地从各种角度清洁牙齿。这样，在移动的牙刷头1所移动过的部分中不会残留过多齿菌斑。
关于由符号(a)、(d)、(g)和(j)标明的方框中显示的轨迹牙刷头1的低音运动和旋转运动是同相的，从而当致动器6未被启动时，牙刷头1的运动轨迹主要经过牙刷头1停止的初始位置。这样，能够集中地在预定部分除去齿菌斑。
关于由符号(b)、(e)、(h)和(k)标明的方框中显示的轨迹低音运动的相位与旋转运动的相位相差π/4，从而牙刷头1的运动轨迹不经过初始位置。通过在上述同相的低音运动和旋转运动与具有相位差的低音运动和旋转运动之间转换牙刷头1的运动，能够以各种轨迹移动牙刷头1，从而能够在牙刷头经过的每个部分中有效地除去齿菌斑。在低音运动和旋转运动之间的相位差取除了π/2之外的任意值的情形下，都能够获得这种效果。
为了减小移动的牙刷头1接触不到牙龈的可能性，优选是使在低音运动中的牙刷头1的冲程等于或者短于4毫米。同样地，优选是使在旋转运动中牙刷头的往复旋转的角度等于或者小于20度。
如上所述，根据本实施例的电动牙刷能够不使用任何例如凸轮或者齿轮的机械元件，通过控制在第一磁路6a的第一线圈11中和在第二磁路6b的第二线圈14中流动的交流电的频率以及交流电之间的相位差，而移动驱动轴8和安装在驱动轴8上的牙刷头1。与使用机械元件来驱动牙刷头的传统电动牙刷相比，通过根据本实施例的电动牙刷能够在较短的周期内往复地移动驱动轴8和牙刷头1。特别的是，在使用凸轮或者齿轮的传统电动牙刷中牙刷头的往复运动的频率上限为大约100Hz。另一方面，根据本实施例的电动牙刷的牙刷头1的往复运动能够以高于至少100Hz的频率来驱动。这样，通过作为根据本实施例的电动牙刷的致动器6的第一磁路6a和第二磁路6b，能够以更高的速度往复移动驱动轴8和牙刷头1。因此，通过该电动牙刷能够提高除去齿菌斑的效率。
当用于驱动该驱动轴8和牙刷头1的频率被提高时，在低音运动或者在旋转运动中的驱动轴8的冲程相应于该频率的提高而变小。这样，通过提高牙刷头1的往复运动的频率，能够减小移动的牙刷头1与牙龈接触的可能性。另外，相应于牙刷头1的往复运动的频率的提高，牙刷头1和牙齿之间的摩擦减小，从而能够灵敏地清洁牙齿。这样，能够通过选择牙刷头1的往复运动的频率，灵敏而有效地清洁牙齿。特别的是，能够在100Hz至350Hz之间的区域内选择牙刷头1的往复运动的频率。
此外，致动器6包括用于在低音运动中移动驱动轴8的第一磁路6a和用于在旋转运动中移动驱动轴8的第二磁路6b。这样，驱动轴8和安装在驱动轴8上的牙刷头1不仅能够被驱动以低音运动，而且能够同时被驱动以旋转运动。而传统电动牙刷中的牙刷头能够择一地被驱动以低音运动或者旋转运动，与该传统电动牙刷相比，根据本实施例的电动牙刷的牙刷头1的运动变得更为复杂。这样，能够提高除去齿菌斑的效果。
再进一步说，在第一线圈11和第二线圈14中流动的交流电的频率和相位能够通过调整控制开关或者旋钮来改变。这样，牙刷头1能够以如上述的各种轨迹移动。牙刷头1能够以各个方向接触牙齿，从而能够有效地从牙齿中除去齿菌斑。
根据本实施例的电动牙刷的上述结构能够作以下修改。
驱动轴8的主要部分8b被分为两段(part)，其中一段相对于另一段能够在驱动轴8的轴向上滑动，而整体上绕驱动轴8的中心轴是可旋转的。第一永磁单元9固定在其中一个分段上，并且第二永磁单元12固定在另一段上。或者，第一永磁单元9固定在驱动轴8的主要部分8b上，并且第二永磁单元12相对于主要部分8b在驱动轴8的轴向上是可滑动的，而整体上可与驱动轴8一起旋转。在这两种情形下，第一永磁单元9和第二永磁单元12通过螺旋弹簧接合。通过这样的结构，驱动轴8的前端部分8a能够相应于第一永磁单元9的往复线性运动而在低音运动中移动，并且能够相应于第二永磁单元12的往复旋转而在旋转运动中移动。然而，由于在驱动轴8的轴向上第一永磁单元9的往复线性移动而产生的振动被介于其中的螺旋弹簧削弱，所以该振动很少被传递到第二永磁单元12。因此，电动牙刷的主体2的振动能够被减小，使得使用者能够舒适地刷牙。
在上述中，交流电被提供至第一磁路6a的第一线圈11和第二磁路6b的第二线圈14中作为驱动电流。然而，具有预定频率和在它们之间的预定相位差的脉动电流能够提供至第一线圈11和第二线圈14作为驱动电流，以替代提供交流电。通过这种结构，第一磁路6a的第一定子10的磁化方向和第二磁路6b的第二定子13的磁化方向也能够周期性地转换。
另外，提供至第一线圈11和第二线圈14的交流电或者脉动电流的频率和它们之间的相位差不受上述举例数值的限制。相应于使用者的灵敏触感，能够自由地选择交流电或者脉动电流的频率和它们之间的相位差的数值。
再进一步说，交流电或者脉动电流不必同时提供至第一线圈11和第二线圈14。能够将交流电或者脉动电流提供至第一线圈11和第二线圈14的其中任一。通过这种结构，驱动轴8和牙刷头1能够在低音运动和旋转运动中择一地移动，如同传统的电动牙刷。
此外，能够周期性地接通或者切断，以提供驱动电流至用于在低音运动中移动第一永磁单元9的第一线圈11。当驱动电流在第一线圈11中流动时，第一永磁单元9通过磁力而在驱动轴8的轴向上移动，而且螺旋弹簧15和17弹性地变形并且共振。当驱动电流被切断时，作用在第一永磁单元9上的磁力被消除，但是由于螺旋弹簧15和17的共振，第一永磁单元9继续在驱动轴8的轴向上的往复线性运动。换句话说，通过周期性地重复接通和切断以提供驱动电流至第一线圈11，能够在驱动轴的轴向上往复地移动第一永磁单元9和驱动轴8。同样地，能够周期性地接通和切断，以提供驱动电流至用于在旋转运动中旋转第二永磁单元12的第二线圈14。
此外，分别提供至第一线圈11和第二线圈14的两个交流电或者脉动电流的频率和相位的四个参数不必独立地调整。多个参数、例如交流电的两个频率能够被一起调整。
此外，分别提供至第一线圈11和第二线圈14的两个交流电或者脉动电流的频率和相位能够提前确定，而不需提供控制开关或者旋钮。
本申请是基于在日本提出的日本专利申请2002-341720，其内容特此并入参考。
虽然结合附图通过实施例对本发明作了充分的说明，但是应当了解，各种改变和变化对于本领域技术人员来说是显见的。因此，除非此类改变和变化脱离本发明的范围，否则它们都包含在本发明中。
工业实用性如上所述，根据本发明的电动牙刷能够以低音运动和旋转运动的混合方式移动牙刷头，从而能够有效地从牙齿除去齿菌斑。
权利要求
1.一种电动牙刷，包括牙刷头和用于移动该牙刷头的致动器，其中该致动器还包括驱动轴，该牙刷头安装至该驱动轴；第一磁路，用于在该驱动轴的轴向上往复移动该驱动轴；以及第二磁路，用于围绕该驱动轴的中心轴往复旋转该驱动轴；并且该第一磁路和该第二磁路直接移动该驱动轴。
2.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中该第一磁路和该第二磁路能够同时被启动。
3.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中该第一磁路和该第二磁路能够被择一地启动。
4.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中还包括用于产生两个驱动电流的逆变器，所述两个驱动电流具有预定的频率和它们之间的相位差，并且所述两个驱动电流被提供至该第一磁路和该第二磁路。
5.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中该驱动电流是交流电或者脉动电流。
6.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中提供至该第一磁路和该第二磁路的所述驱动电流的频率和/或它们之间的相位差是可调整的。
7.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中提供至该第一磁路和该第二磁路的所述驱动电流是同相的。
8.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中提供至该第一磁路和该第二磁路的所述驱动电流之间的相位差是π/2或者π/4。
9.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中提供至该第一磁路的驱动电流的频率等于提供至该第二磁路的驱动电流的频率或者是其整数倍。
10.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中提供至该第二磁路的驱动电流的频率等于提供至该第一磁路的驱动电流的频率或者是其整数倍。
11.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中提供至该第一磁路和该第二磁路的所述驱动电流的频率中的较大频率相对较小频率的比率不是整数。
12.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中该第一磁路还包括固定在该驱动轴上的第一永磁单元、一对第一定子和分别缠绕在所述第一定子周围的一对第一线圈；该第二磁路还包括固定在该驱动轴上的第二永磁单元、一对第二定子和分别缠绕在所述第二定子的极周围的两对第二线圈；当驱动电流被提供至该第一线圈时，该第一永磁单元在该驱动轴的轴向上线性移动；以及当驱动电流被提供至该第二线圈时，该第二永磁单元围绕该驱动轴的中心轴旋转。
13.根据权利要求12所述的电动牙刷，其中还包括用于施加压力的一对螺旋弹簧，以在该致动器未被启动时将该第一永磁单元和该第二永磁单元定位在初始位置。
14.根据权利要求13所述的电动牙刷，其中通过接通和切断提供的驱动电流而周期性地驱动该第一磁路；以及当该驱动电流未提供至该第一磁路时，由于所述螺旋弹簧的共振，在轴向上该驱动轴的往复运动持续。
15.根据权利要求13所述的电动牙刷，其中通过接通和切断提供的驱动电流而周期性地驱动该第二磁路；以及当该驱动电流未提供至该第二磁路时，由于所述螺旋弹簧的共振，围绕该驱动轴的中心轴的该驱动轴的往复旋转持续。
全文摘要
在电动牙刷中，可拆卸的牙刷头被直接安装在致动器的驱动轴的前端部分。该致动器包括第一磁路，用于在该驱动轴的轴向上往复移动该驱动轴；以及第二磁路，用于围绕该驱动轴的中心轴旋转该驱动轴。通过独立的驱动电流使该第一磁路和该第二磁路独立地励磁，所述独立的驱动电流具有预定的频率并且在其间具有预定的相位差。这样，安装在该驱动轴上的牙刷头能够以往复线性移动和往复旋转的混合方式而移动。该致动器不包括例如齿轮或者凸轮的传统机械元件，从而该致动器能够比传统的致动器更快地移动该驱动轴。
文档编号H02K33/16GK1691921SQ20038010067
公开日2005年11月2日 申请日期2003年11月20日 优先权日2002年11月26日
发明者本桥良, 国田智裕, 谷口真一, 平田胜弘, 长谷川佑也 申请人:松下电工株式会社